JP7303010B2 - フィルタコンデンサの短絡装置、短絡方法 - Google Patents
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例えば、高圧インバータ装置において、電圧印加中、仕様上装置本体から取り外し不可能なフィルタコンデンサのコンデンサ端子部(正極のP端子、負極のN端子)を、高圧インバータ装置の主回路配線(P、N)から絶縁し、かつ、仕様上高圧インバータ装置から取り外し可能なユニットに内蔵されているフィルタコンデンサを安全に保管する場合に好適な短絡装置、短絡方法に関するものである。
このような場合における課題は、フィルタコンデンサに帯電した高電圧による感電である。
つまり、高圧インバータ装置への通電時にはフィルタコンデンサが加圧され、フィルタコンデンサの正極のP端子、負極のN端子間に高電圧が発生する。そして、この高電圧は、通電停止後もフィルタコンデンサ内に電荷が残留する。このことにより、P・N端子間は高い電圧のまま残留電荷として残り、メンテナンスの際に作業者が感電する危険性がある。
そこで、安全性確保のために、メンテナンスの作業前にコンデンサの残留電荷をコンデンサの内部抵抗成分、もしくは並列接続された放電抵抗などにより自然放電させる方法や、メンテナンス作業の初めにP・N端子間を放電抵抗につながれた導体で短絡する機構を用いて強制放電させる方法がとられている。例えば、強制放電させる方法として、特表2012-090720号公報(特許文献1)に記載された技術がある。
この公報には、「高圧インバータ装置の残留電荷を放電させる放電機構であって、高圧インバータ装置のインバータ回路に具備されたコンデンサの正極側及び負極側に接続される一対の放電端子と、放電抵抗と導通させた状態で前記一対の放電端子を短絡させることで前記コンデンサの残留電荷を放電させる短絡手段とを備えたことを特徴とする高圧インバータ装置の放電機構。」という記載がある。
このような場合には、余剰容量となるフィルタコンデンサを取り除く方法が挙げられる。しかし、フィルタコンデンサを既存システムに戻せるようにしておくために、あるいは構造的な理由により、高圧インバータ装置のフィルタコンデンサを仕様上取り外し不可能な場合がある。
従って、余剰容量となるフィルタコンデンサを装置内に取り付けたままとし、フィルタコンデンサを高圧インバータ装置の主回路(主回路配線P、N)から電気的に絶縁する必要がある。また、絶縁されたフィルタコンデンサは、交換部品として保管するコンデンサと同様に、自然帯電により感電の危険性が高まる。このため、P・N端子間を短絡する必要がある。
しかし、特許文献1では、上述した場合における課題ついては想定されていない。
そのため、特許文献1では、高圧インバータ装置の残留電荷の放電時に、セルインバータのコンデンサの正極側及び負極側に接続された一対の放電端子が放電抵抗と導通した状態で短絡され、高圧インバータ装置にてコンデンサの残留電荷を放電することができる、という効果に留まる。
この場合、高圧インバータ装置を含む鉄道車両に車載される製品は、常に振動に曝される。このことから、高い耐振動性が要求される。また、コンデンサ等の車載用電子部品は、極めて矮小な空間に配置する必要があり、周囲に空間的自由度が少ないという制限がある。加えて、常に質量の低減が要求されていることから、なるべく軽量な構造が好まれる。
シリコンカーバイド(SiC)MOSFETをパワー半導体に採用する場合には、半導体素子からフィルタコンデンサ間のインダクタンスを最小化してインバータ動作時のノイズを抑制し安定化を図る必要がある。
このためには、フィルタコンデンサをパワーユニットに内蔵する構成が望ましい。よって、同一の高圧インバータ装置に対して、コンデンサを内蔵したパワーユニット(図8のフィルタコンデンサ内蔵ユニット106参照)を装着する場合と、コンデンサを内蔵していないパワーユニット(図9のフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108参照)を装着する場合の2種類のケースが想定される。
ここで、例えば、フィルタコンデンサ非内蔵ユニットをフィルタコンデンサ内蔵ユニットに交換する場合、高圧インバータ装置全体としての合成容量が増えてしまう問題がある。そのため、フィルタコンデンサを内蔵したパワーユニットを使用する場合は、高圧インバータ装置に内蔵されるフィルタコンデンサを絶縁する必要が生じる。
しかし、すでに顧客先に納入し、顧客先にて運用中の高圧インバータ装置に対して、引用文献1に記載されたような放電機構を追加することは現実的に難しい。
故に、コンデンサのPとN端子を短絡する部材(短絡部材)は、一般的な導体部材で問題なく、単に主回路導体のPもしくはN配線が着地できるような絶縁体(絶縁部材)を、上述の導体部材に追加した構造に形成された絶縁・短絡機能を有する装置であれば、必要とする機能を十分に果たすことができる。つまり、特許文献1に記載された放電機構に比して簡単な構成の絶縁・短絡機能を有する装置であれば足りる。
つまり、この絶縁・短絡機能を有する装置をフィルタコンデンサと主回路配線との間に取り付ける/取り外すことで、コンデンサを主回路から主回路絶縁・コンデンサ短絡/コンデンサ通電を容易に切り替えることができる。
高圧インバータ装置において、仕様上取り外し可能なユニットを交換することにより、既存システムを流用しつつ高性能化を図ることができる。例えば、コア部品となるパワー半導体素子が内蔵されているパワーユニットにおいて、パワー半導体素子をシリコン(Si)IGBTからシリコンカーバイド(SiC)MOSFETとしたユニットに交換することで、より高速にスイッチングできるようになる。このとき、半導体素子からフィルタコンデンサ間のインダクタンスを最小化して、インバータ動作時のノイズを抑制し安定化を図るために、フィルタコンデンサをパワーユニットに内蔵する構成が望ましい。
このように、仕様上取り外し可能なユニットに内蔵されているフィルタコンデンサがある場合も同様に、保管時にはP端子とN端子間を針金などの導体にて短絡する必要がある。
一方、フィルタコンデンサ非内蔵ユニットをフィルタコンデンサ内蔵ユニットに交換すると、高圧インバータ装置に内蔵されるフィルタコンデンサの合成容量が増えてしまう問題がある。その解決策として、余剰容量となるフィルタコンデンサを取り除く方法が挙げられる。しかし、既存システムに戻せるようにしておくために、あるいは構造的に簡単にフィルタコンデンサが外せないといった理由で仕様上取り外し不可能な場合がある。
この場合には、余剰容量となるフィルタコンデンサを装置内に取り付けたままとし、主回路から電気的に絶縁することが必要となる。さらに、絶縁されたフィルタコンデンサは、交換部品として保管されるコンデンサと同様に、自然帯電により感電の危険性が高まるため、P端子とN端子間を短絡する必要がある。
具体的には、図9に示すように、フィルタコンデンサを内蔵しないフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108と、仕様上取り外し不可能なフィルタコンデンサ(Fc)を内蔵したフィルタコンデンサ内蔵ユニット107で構成されるような回路に対して、図9のフィルタコンデンサ非内蔵ユニット108を図8のフィルタコンデンサ(Fc)を内蔵したフィルタコンデンサ内蔵ユニット106に交換する場合、回路全体としての合成容量が規定値を上回る程度に増加する。故に、回路上のいずれかのコンデンサの絶縁が必要となる。このような場合に、安全にフィルタコンデンサの絶縁を行う。
フィルタコンデンサ(Fc)を絶縁しないときには、あらかじめ図6で示されるような回路としておき、P端子とN端子を短絡するような回路を接続させないようにすればよいことがわかる。
図6は、仕様上取り外せないフィルタコンデンサ(図8の105/Fc)を通電した状態を示す図である。
最初に、フィルタコンデンサ101を高圧インバータ装置の主回路(図示せず)から絶縁する場合について考える。
図1は、本実施例に係る高圧インバータ装置の概略図である。
高圧インバータ装置の装置本体100には、仕様上装置本体100から取り外し不可能なフィルタコンデンサ101、仕様上装置本体100から取り出し可能なフィルタコンデンサ103が存在している。
そして、短絡装置104の短絡部材(導体)1041にて、フィルタコンデンサ101のP端子1011とN端子1012を短絡する。短絡装置104の構成については後述する。
このとき、前提として、上記主回路P配線1031と主回路N配線1032は、可撓性のある電線などの部材で構成する必要がある。
これにより、主回路P配線1031とフィルタコンデンサ101のP端子1011を絶縁することができる。
また、他方の主回路N配線1032をフィルタコンデンサ101のN端子1012と接続する端子(導体バー)10512に接続する。
なお、本実施例では、主回路P配線1031を絶縁することを前提としているが、主回路N配線1032を絶縁するようにしてもよい。
短絡装置104は、1つの短絡部材1041、複数の絶縁部材1042を有する。
このとき、仕様上取り外し可能なユニット102は、高圧インバータ装置から取り外した状態において、内蔵しているフィルタコンデンサ103のP・N端子を短絡する必要がある。
よって、高圧インバータ装置内部のフィルタコンデンサ101を短絡したときと同じように、ユニット内部のフィルタコンデンサ103のP・N端子を短絡装置104(短絡部材)により短絡する必要がある。また、高圧インバータ装置内部のコンデンサに対しても同じく、短絡回路は放電抵抗などを介する必要がない。
このことから、コンデンサ端子部のP端子とN端子を短絡できるような形状の導体であれば問題ない。
図1において、装置本体100は、内部に仕様上取り外し不可能なフィルタコンデンサ101とともに、仕様上取り外し可能なユニット102に内蔵されている増設用のフィルタコンデンサ103を取り付けている。
このとき、図4に示す短絡装置104を用意する。本実施例では、短絡装置104には碍子からなる絶縁部材1042が取り付いているが、これは絶縁部材1042と高圧インバータ内部のコンデンサの短絡部材1041を共通化することを念頭に置いたものである。
もし、ユニット102に内蔵されたフィルタコンデンサ103の短絡のみが目的であるならば、図4に示すように短絡装置104は、導体からなる短絡部材1041としての機能のみがあればよい。この場合は、碍子の絶縁部材1042を不要とすることができる。
取扱説明書や注意銘板等には、例えば、絶縁状態を示す写真等とともに「フィルタコンデンサを絶縁するとともに、コンデンサのP・N間を短絡する必要があります。以下のような形状の碍子付き短絡バーを、コンデンサの端子部に取り付け、コンデンサのP・N間を短絡しつつ、主回路からコンデンサを絶縁します。」とするとよい。
この際に必要な操作は、短絡部材1041、絶縁部材1042を有する短絡装置104の端子挿入孔1043にフィルタコンデンサ101のP端子、N端子(コンデンサ端子部)を挿入するだけで済む構造、つまり、短絡装置104は、短絡部材1041にフィルタコンデンサ101のP端子1011、N端子1012が挿入される端子挿入孔1043を形成した構成としているので、フィルタコンデンサ101のP端子、N端子(コンデンサ端子部)に接続されている主回路P配線1031、主回路N配線1032が、電線等の可撓性のある部材である場合は、既存のシステムに対しても改造無しで容易に適用することができる。
そのとき、フィルタコンデンサ103がユニット102に内蔵されており、容易にアクセスできない場所に配置されていたとしても、コンデンサのP端子、N端子に接続されたユニットP端子、ユニットN端子(導体)1021、1022がユニット102の外面に露出する構造としたことにより、そのユニットP端子、ユニットN端子(導体)1021、1022に対して短絡部材1041を接続することで、コンデンサ自体のP端子、N端子に短絡部材1041を接続したときと同じ効果を得ることができる。
短絡装置104は、装置本体100やユニット102から取り外した状態においては、保管・管理が難しい。例えば、ユニット102に短絡装置104を取り付けた場合でも、作業者が短絡装置104の存在を知らない場合、その存在を忘れられてしまい、短絡必要な場所であるにもかかわらず短絡し忘れてしまうリスクがある。このリスクに対しては、短絡装置104のユニット102における部材の取り付け箇所を、あらかじめ取扱説明書や注意銘板などにて明確に指示しておくことにより、短絡忘れリスクを防止することができる。
101 フィルタコンデンサ
102 仕様上取り外し可能なユニット
103 仕様上取り外し可能なユニットに内蔵されたフィルタコンデンサ
104 短絡装置
1041 短絡部材(導体)
1042 絶縁部材(碍子)
1043 端子挿入孔
106、107 フィルタコンデンサを内蔵したフィルタコンデンサ内蔵ユニット
108 フィルタコンデンサを内蔵していないフィルタコンデンサ非内蔵ユニット
Claims (5)
- フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡装置において、
前記フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡し、前記P端子とN端子を保持する端子短絡保持部と、前記P端子に接続されていた主回路P配線と前記P端子、又は前記N端子に接続されていた主回路N配線と前記N端子を絶縁し、前記主回路P配線又は主回路N配線を保持する配線絶縁保持部を有する
ことを特徴とする短絡装置。 - 請求項1に記載された短絡装置において、
前記端子短絡保持部は、
仕様上装置本体から取り出し不可能なフィルタコンデンサ及び仕様上装置本体から取り出し可能なユニットに設けられた増設用フィルタコンデンサのP端子とN端子を短絡する短絡部材を有し、
前記配線絶縁保持部は、
前記取り出し不可能なフィルタコンデンサを前記主回路P配線、又は主回路N配線から絶縁する絶縁部材を有する、
ことを特徴とする短絡装置。 - 請求項2に記載された短絡装置において、
前記短絡部材は、前記フィルタコンデンサのP端子、N端子を挿入する端子挿入孔、を含む板状の導体からなり、
前記絶縁部材は、碍子からなる、
ことを特徴とする短絡装置。 - フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡し、前記P端子、N端子を保持する端子短絡保持部と、前記P端子に接続されていた主回路P配線と前記P端子、又は前記N端子に接続されていた主回路N配線と前記N端子を絶縁し、前記主回路N配線、又は主回路P配線を保持する配線絶縁保持部を有する短絡装置にて前記フィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する短絡方法であって、
装置本体から取り出し不可能なフィルタコンデンサのP端子、N端子から前記主回路P配線、主回路N配線を取り外し、
前記主回路P配線、主回路N配線を取り外した前記取り出し不可能なフィルタコンデンサのP端子、N端子に前記短絡装置を取り付け、前記短絡装置の端子短絡保持部における短絡部材により前記取り出し不可能なフィルタコンデンサのP端子・N端子間を短絡し、
装置本体から取り出し可能なユニットを取り出したとき、前記端子短絡保持部における短絡部材により前記ユニットに形成されたユニットP端子、ユニットN端子を介して前記ユニットに内蔵されたフィルタコンデンサのP端子とN端子間を短絡する
ことを特徴とする短絡方法。 - 請求項4に記載された短絡方法において、
さらに、前記取り出し不可能なフィルタコンデンサのP端子、N端子から外した前記主回路P配線、N配線の一方を前記配線絶縁保持部の絶縁部材に接続し、
前記主回路P配線、N配線の他方を前記フィルタコンデンサのP端子又はN端子に接続し、
前記取り出し不可能なフィルタコンデンサを前記主回路P配線、又はN配線から絶縁し、かつ、前記取り出し不可能なフィルタコンデンサのP端子とN端子を短絡することを特徴とする
ことを特徴とする短絡方法。
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